[PDF] La pression atmosphérique : un jeu denfants

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La pression atmosphérique :

un jeu d'enfants ? par

Thierry Castermans

Pierre Gillis

Soizic Melin

Physique expérimentale et biologique

Eurêkalia

Centre de Didactique des Sciences

UMH

UNIVERSITE DE MONS-HAINAUT

Document réalisé dans le cadre de la recherche en éducation 65/00 " Eveil à l'observation et à la pratique expérimentale en physique » Direction de la recherche en éducation et du pilotage interréseaux

Ministère de la Communauté Française

Site internet http://www.agers.cfwb.be

2001

Magique ? Non, atmosphérique !

1

Magique ? ... Non, atmosphérique !

Introduction

Ces notes ont été rédigées dans le but d'aider les instituteurs et institutrices de 6ème primaire à

préparer les séances de laboratoires sur le thème " l'air et la pression atmosphérique ».

La totalité de ces notes ne sera probablement pas utile pour les élèves mais nous les avons rédigées de la manière la plus complète possible : elles répondent non seulement aux questions les plus " classiques » que se posent les enfants mais aussi, à quelques questions plus spécifiques.

Dans ces notes vous trouverez :

I. Une motivation à l'étude de ce thème

II. Les séances de laboratoire

Pour chaque expérience, ces notes reprennent :

· Le défi

· Le but visé

· Le matériel

· Les conseils que vous pouvez donner aux enfants s'ils rencontrent des difficultés lors de la préparation de l'expérience · Les observations faites lors de l'expérience

· L'interprétation du phénomène

· Une conclusion

III. Pour en " savoir plus »

Cette rubrique dépasse

assez souvent le cadre du cours d'éveil scientifique au niveau primaire. Cependant, elle nous a semblé nécessaire car nous pensons qu'elle vous permettra

Magique ? Non, atmosphérique !

2 non seulement d'aller plus loin dans la compréhension des phénomènes, mais aussi d'être plus

à même de répondre à d'éventuelles questions " embarrassantes ». Si vous n'en voyez pas

l'utilité, il n'est bien évidemment pas nécessaire de rentrer dans tous les détails en classe,

mais il est toujours bon de prévoir plus que nécessaire...

IV. Extraits des écrits des élèves

Les enfants ont rédigé un petit " rapport » de laboratoire après chaque séance. Nous avons

repris quelques extraits qui nous semblent assez représentatifs de l'ensemble des écrits.

V. La liste du matériel

Le matériel nécessaire pour réaliser ces séances de laboratoire, ainsi que l'endroit où vous

pouvez vous le procurer (à très faible coût).

VI. La liste des compétences

Liste des socles de compétences du ministère de la Communauté Française (mai 1999) que les

enfants devraient acquérir, dans la mesure du possible, lors de ces séances.

VII. La bibliographie

Cette liste comprend les ouvrages utilisés pour réaliser ces notes, des références de livres ou

de revues bien adaptés pour le niveau primaire ainsi que des adresses de sites Internet qui pourraient vous être utiles.

Magique ? Non, atmosphérique !

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I. Motivation

Bien que l'air soit présent partout, les enfants ignorent souvent sa présence. En effet, sauf lorsqu'il se déplace (courant d'air, vent, fuite dans un ballon, sèche-cheveux, ventilateur ...), l'air est difficilement détectable. Pourtant l'air fait partie du quotidien de tout un chacun et sans sa présence, respirer, gonfler un ballon, allumer une bougie, faire voler les avions, permettre aux aéroglisseurs de se déplacer ou effectuer certains tours de magie , ... serait impossible. Initier les enfants à la compréhension de l'air et de ses nombreuses manifestations, leur permettra de mieux appréhender l'environnement dans lequel ils vivent.

II. Les séances de laboratoire

But de ces séances :

Pour les enfants de moins de 12 ans, il est difficile d'imaginer qu'il y a " quelque chose » dans une bouteille " vide ».

Les psychologues appellent cela le

" primat de la perception » : l'enfant éprouve des

difficultés à concevoir ce qui ne se perçoit pas, et tout particulièrement ce qui ne se voit pas.

Ainsi, l'air surtout lorsqu'il est immobile, n'est pas reconnu par les enfants en âge d'école primaire, comme étant de la matière.

Le but de ces séances sera donc de :

· faire prendre conscience aux enfants de la présence constante de l'air autour de nous ; · leur faire découvrir les effets (parfois surprenants) de la pression atmosphérique.

Magique ? Non, atmosphérique !

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PREMIÈRE SÉANCE

Le but de cette séance : faire prendre conscience aux enfants de la présence constante de l'air.

Fiche n°1

Le défi : est-il possible, avec une latte, de soulever brusquement, une grande feuille de journal posée sur une table ? Le but : Permettre aux enfants de prendre conscience que " quelque chose » appuie sur la feuille de papier. Le matériel : Une feuille de journal - une latte - une table. Voici les conseils que vous pouvez donner aux enfants :

Constatation :

La feuille ne se soulève presque pas, elle reste même collée à la table !

Explication :

" Quelque chose » d'invisible appuie sur la feuille de papier. Ce " quelque chose » est la masse d'air qui se trouve au-dessus de la feuille. Cette masse appuie sur la feuille et l'empêche de se soulever. Conclusion : Bien qu'invisible, l'air est présent au-dessus de la feuille de papier et nous

empêche de la soulever dans les conditions de l'expérience. · Place la feuille de journal bien à plat sur la

table. · Glisse, entre la feuille et la table, les trois- quarts de ta latte.

· Donne avec ton poing un coup sec sur

l'extrémité accessible de la latte. · Es-tu parvenu(e) à soulever la feuille comme voulu ?

Magique ? Non, atmosphérique !

5 Fiche n°2

Le défi : Est-il toujours possible de gonfler facilement un ballon de baudruche ? Le but : Permettre aux enfants de prendre conscience qu'il y a " quelque chose » dans la bouteille. Le matériel : Une bouteille en plastique (1,5 l) - un ballon de baudruche. Voici les conseils que vous pouvez donner aux enfants :

Constatation :

Même en soufflant très fort, le ballon ne se gonfle presque pas !

Explication :

La bouteille contient de l'air et celui-ci occupe tout le volume de la bouteille. Quand nous

soufflons dans le ballon, celui-ci se gonfle légèrement. Le volume disponible à l'intérieur de

la bouteille diminue, l'air qui se trouve dans cette partie est alors comprimé. On dit qu'il est

soumis à une certaine " pression ». Cette pression dépend de nos capacités physiologiques,

des caractéristiques de la bouteille et du ballon. On ne sait plus gonfler le ballon lorsque cette

pression devient trop importante. Conclusion : La bouteille contient de l'air, c'est lui qui nous empêche de gonfler le ballon. · Enfonce le ballon à l'intérieur de la bouteille. · Fixe-le (comme sur le dessin ci-contre) sur le goulot de la bouteille.

· Souffle dans le ballon.

· Le ballon se gonfle-t-il facilement ?

Magique ? Non, atmosphérique !

6 Fiche n°3

Le défi : Comment gonfler, de deux manières différentes, un ballon sans souffler dedans ? Le but : Le but est le même que pour la fiche n°2 : une nouvelle fois, montrer qu'il existe " quelque chose » dans la bouteille, même si elle semble vide !

Première manière :

Le matériel : Un ballon de baudruche - une bouteille en plastique (eau ...) de 50 cl ou 1,5 l. Voici les conseils que vous pouvez donner aux enfants : · Place le ballon sur le goulot de la bouteille (le ballon à l'extérieur cette fois).

· Presse la bouteille.

· Que fait le ballon ?

Constatation : Le ballon se gonfle légèrement. Explication : Quand nous comprimons la bouteille, nous diminuons le volume disponible pour

l'air qui s'y trouve, alors que la quantité d'air reste la même. On dit alors que la pression de

l'air dans la bouteille augmente (voir le paragraphe " en savoir plus » le modèle avec les boules de néoprène). Comme la membrane du ballon est élastique, l'air peut sortir de la bouteille et trouver la place qui lui manquait dans le ballon : celui-ci se gonfle donc légèrement.

Magique ? Non, atmosphérique !

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Deuxième manière:

Le matériel : Un ballon - une bouteille dont nous avons enlevé le fond - un aquarium contenant de l'eau. Voici les conseils que vous pouvez donner aux enfants : · Place le ballon sur le goulot de la bouteille. · Descends la bouteille à mi-hauteur dans l'eau, la partie ouverte en premier lieu.

· Que fait le ballon ?

Constatation : Le ballon se gonfle légèrement. Conclusion : Dans ces deux derniers cas, une partie de l'air contenu dans la bouteille permet de gonfler légèrement le ballon. Explication : Nous enfonçons la bouteille dans l'eau. La bouteille se rempli d'une petite quantité d'eau. Le volume disponible pour l'air diminue. L'air " chassé » sort alors de la bouteille et trouve la place qui lui manquait dans le ballon. Vous pouvez vous reporter au paragraphe " En savoir plus » si vous le souhaitez.

Conclusion de cette première séance :

Ces quatre expériences nous ont permis de mettre en évidence que nous sommes constamment entourés d'air : comme les poissons baignent dans l'eau, nous " baignons » constamment dans l'air ! L'air est présent partout : dans la pièce où nous nous trouvons, sur la feuille de journal, à l'intérieur de la bouteille, ...

Magique ? Non, atmosphérique !

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DEUXIEME SEANCE

Le but de cette séance : Par le biais de la " magie », visualiser les effets de la pression exercée par l'air.

Fiche n°4

Cette fiche propose deux expériences équivalentes. Vous pouvez bien évidemment n'en réaliser qu'une seule avec vos élèves.

Les défis :

1. " Plonger » un mouchoir en papier dans un aquarium

rempli d'eau et le ressortir sec.

2. Faire " couler », sans le toucher, un bouchon en liège .

Le but : par le biais de la " magie », montrer que l'air est présent et peut, dans certaines limites, être comprimé.

Premier défi :

Le matériel : Un mouchoir en papier - un aquarium contenant de l'eau - un récipient plus petit pouvant contenir le mouchoir en papier (un verre par exemple). Voici les conseils que vous pouvez donner aux enfants : Constatation : Le mouchoir qui semblait plongé dans l'eau, en ressort sec ! · Déplie et chiffonne légèrement le mouchoir en papier. · Coince-le ensuite dans le fond du petit récipient. · Retourne ce récipient et enfonce-le verticalement dans l'eau jusqu'à ce qu'il soit complètement immergé. · Sors le récipient de l'eau, et reprends le mouchoir en main. Comment est-il ?

Magique ? Non, atmosphérique !

9 Remarque : Extrait de " La main à la pâte » " Les enfants ont beaucoup de difficultés à imaginer que le mouchoir reste sec alors que le récipient qui le contient s'enfonce dans l'eau : il ne peut en ressortir que mouillé.

Certains disent que " le mouchoir sec est mouillé ». Il faut leur donner un mouchoir mouillé

pour qu'ils puissent faire la différence.

Les enfants ont beaucoup de difficultés à bousculer leurs représentations premières. Alors

qu'ils avaient expérimenté que le mouchoir était sec avec le récipient complètement enfoncé

dans l'eau, ils ne peuvent s'empêcher de dessiner ce récipient seulement enfoncé à moitié

dans l'eau.

Les mots et les dessins utilisés dans les rapports montrent que les représentations initiales ont

la vie plus dure que l'observation. »

Deuxième défi :

Le matériel : Un bouchon en liège - un aquarium contenant de l'eau - une petite bouteille

d'eau en plastique (le même récipient que dans le premier défi irait tout aussi bien, mais l'idée

supplémentaire est de percer un petit trou dans la bouteille - ou de dévisser le bouchon - et d'en approcher la main, afin de sentir le " petit courant d'air »). Voici les conseils que vous pouvez donner aux enfants : Constatation : Le bouchon en liège semble couler dans l'eau ! · Dépose le bouchon à la surface de l'eau. · Retourne la bouteille juste au-dessus du bouchon et enfonce-la dans l'eau. · Que fait le bouchon ? Explication : Il y a de l'air dans le récipient contenant le mouchoir. Cet air occupe un certain volume. Quand nous enfonçons ce récipient (ouverture vers le bas) dans l'eau, le volume d'air est comprimé. Le niveau d'eau " monte » dans le récipient. Cependant il y a toujours une " poche d'air » (cette poche est d'autant plus petite que le récipient est enfoncé plus profondément dans l'eau). Si cette poche reste suffisamment grande pour contenir le mouchoir, celui-ci ne se mouille pas !

Magique ? Non, atmosphérique !

10 Il existe une autre technique pour faire " monter » le bouchon plus haut que le niveau de l'eau dans l'aquarium : dévissez le bouchon. Ensuite enfoncez au maximum la bouteille, remettez le bouchon en serrant bien. Et finalement, soulevez la bouteille. Remarque : Ces expériences montrent que l'air peut être comprimé. Nous savons tous qu'il existe une limite à cette compression : quand nous poussons sur le piston de la pompe de bicyclette (ou d'une seringue) en maintenant la sortie obturée, après un certain temps, nous sentons une certaine résistance voir une opposition franche en fin de parcours : l'air a atteint sa limite de compression.

Conclusion :

L'air occupe donc un certain volume.

Cependant, il peut être comprimé. Explication : Le bouchon flotte à la surface de l'eau. Pour les

mêmes raisons que celles citées lors du premier défi, le niveau de l'eau ne remonte pas complètement dans le récipient. Donc, si nous ne regardons pas attentivement, nous avons l'impression que le bouchon coule. En fait, il flotte toujours à la surface mais le niveau d'eau est plus bas. Si nous dévissons le bouchon, nous sentons un léger courant d'air sortir de la bouteille et nous voyons le bouchon remonter au niveau de départ. Comment faire " monter » le bouchon en liège plus haut que le niveau de l'eau dans l'aquarium ? En aspirant l'air qui se trouve dans la bouteille et en remettant le bouchon de la bouteille le plus vite possible.

Magique ? Non, atmosphérique !

11 Fiche n°5

Le défi : Retourner complètement un verre contenant de l'eau - sans en renverser son contenu ! - à l'aide d'un morceau de carton.

Attention, il est interdit de tenir le carton !

Le but : Montrer que l'air ambiant exerce également une force de pression du bas vers le haut. Le matériel : Un morceau de carton (+/- 10 cm de côté, une carte postale par exemple) - un verre - de l'eau. Voici les conseils que vous pouvez donner aux enfants :

· Remplis le verre d'eau.

· Dépose le carton sur le dessus du verre.

· Retourne le verre en maintenant le carton en place. · Lâche le morceau de carton. Que constates-tu ? · Recommence la même opération sans remplir complète- ment le verre. Que constates-tu ? Constatation : Le morceau de carton reste " collé » au verre, et l'eau ne s'écoule pas !

Explication :

Il y a en fait, deux raisons pour lesquelles cette expérience " marche » bien : · La pression atmosphérique : l'air ambiant de la pièce " appuie » sur le carton. Nous comprenons facilement que l'air appuie du haut vers le bas sur les objets (voir l'expérience avec la feuille de papier journal de la première expérience). Il est plus difficile d'admettre que cette pression atmosphérique donne aussi lieu à des forces qui s'exercent du bas vers le haut, ce qui est pourtant le cas ! · Il faut savoir qu'il existe une autre raison, souvent oubliée, qui explique pourquoi le carton " colle » : les forces d'adhésion qui existent entre l'eau et le carton. Ce sont ces forces d'adhésion qui nous permettent, en humectant notre doigt de salive, de tourner les pages récalcitrantes d'un livre ou d'ouvrir le sachet plastique d'emballage du supermarché. Pour être le plus rigoureux possible, nous pensons qu'il ne faut pas " escamoter » cet aspect de la question. Pour ces deux raisons, le carton reste fixé au verre et empêche l'eau de tomber. Contrairement à ce que disent les manuels, le carton est maintenu même si le verre n'est pas complètement rempli. Essayez ! Conclusion : L'air exerce une force de pression qui s'exerce non seulement du haut vers le bas, mais aussi du bas vers le haut.

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12 Fiche n°6 (facultative)

Le défi : réaliser un " bouchon d'eau » dans un entonnoir. Le but : comme pour l'expérience n° 5 montrer que l'air exerce aussi une force de poussée dirigée du bas vers le haut.

Le matériel : un entonnoir - un petit récipient fermé, dont le capuchon, bien ajusté, est percé

d'un trou prévu pour laisser entrer le goulot de l'entonnoir - de l'eau. Voici les conseils que vous pouvez donner aux enfants : · Coince l'entonnoir dans l'orifice prévu dans le capuchon du bocal. · Verse doucement un peu d'eau dans l'entonnoir.

· Observe ce qui se passe.

Constatation : L'eau reste dans le goulot de l'entonnoir, et elle ne coule pas dans le récipient !

Explication :

L'eau, versée dans l'entonnoir, comprime l'air qui se trouve en-dessous dans le bocal. L'air contenu dans le récipient, exerce une force de pression dirigée vers le haut sur l'eau.

Quand il y a équilibre entre les forces qui s'exercent vers le bas et celles qui s'exercent vers le

haut, l'eau ne descend plus dans le récipient.

Remarques pratiques :

Il est préférable de prendre un petit récipient ( +/- 50 ml ) et non pas une bouteille d'eau de

1,5 l. En effet, un petit récipient contient peu d'air à comprimer, quand nous le comprimons, il

" réagit » très vite et empêche l'eau de couler dans le récipient. Si vous voulez aller plus loin

dans la compréhension du phénomène, reportez-vous au paragraphe " Pour en savoir plus ».

Il est aussi préférable de prendre un entonnoir avec un goulot très étroit (+/- 3 ou 4 mm de

diamètre) : si le diamètre est trop large, il peut se former un tourbillon en son centre lorsque

nous versons l'eau. Ce tourbillon permet à l'air du récipient de s'échapper et l'eau s'écoule

dans le récipient. Si nous passons une paille dans le goulot de l'entonnoir, l'eau s'écoule. En effet, l'air peut

sortir du récipient par le couloir créé par la paille et n'exerce donc plus de force de pression

sur l'eau.

Conclusion :

L'air contenu dans le récipient exerce une force de pression sur l'eau qui se trouve au- dessus. Cette pression empêche l'eau de couler dans le récipient.

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Fiche n°7

Le défi : Maintenir un petit morceau de carton en l'air sans le tenir avec les doigts. Le but : Montrer que l'air ambiant exerce une force de pression qui s'exerce dans toutes les directions. Le matériel : Un petit morceau de carton - une paille. Voici les conseils que vous pouvez donner aux enfants : · Coupe un morceau de carton de +/- 3 centimètres de côté. · Applique le carton sur l'extrémité de la paille et aspire de l'autre côté.

· Lâche le carton. Que constates-tu ?

Explication :

Au départ, la pression est la même dans la paille et dans la pièce.

Quand nous aspirons l'air contenu dans la paille, la pression à l'intérieur de celle-ci diminue.

La pression atmosphérique est donc supérieure à celle qui est dans la paille, c'est cette différence de pression qui maintient le morceau de carton " collé » sur la paille.

Application pratique :

En buvant du coca à la paille, nous mettons à profit l'action de la pression atmosphérique. Quand nous aspirons l'air qui se trouve dans la paille, la pression dans la paille et dans la

bouche est inférieure à la pression atmosphérique ; l'air extérieur (dans la pièce) pousse sur la

surface du coca, le fait monter dans la paille, et nous permet de le boire !

Question d'élève : " Et si la cannette de coca est fermée hermétiquement (le trou laisse passer

uniquement la paille et ne permet pas le passage de l'air) ... est-ce que l'on peut encore boire le coca ? » La réponse est : non. En effet, l'air ambiant ne pouvant plus pousser sur la surface du coca,

celui-ci ne peut monter dans la paille ! Conclusion : L'air ambiant exerce une force de pression qui s'exerce dans toutes les

directions. Constatation : Le morceau de carton reste " collé » à la paille aussi longtemps que nous aspirons.

Magique ? Non, atmosphérique !

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Fiche n°8

1er défi : Prendre une pièce de monnaie posée dans un fond d'eau

sans se mouiller les doigts. Le but : Montrer ce qui se passe quand la pression atmosphérique est plus importante que la pression dans le bocal. Le matériel : Une bougie (chauffe-plat) - des allumettes - une assiette - un verre pouvant contenir la bougie - une pièce de monnaie. Voici les conseils que vous pouvez donner aux enfants : Constatation : La bougie s'éteint après un certain temps (dans le cas de notre verre : +/- 15 secondes) et le niveau d'eau monte dans le verre, alors qu'il baisse dans l'assiette. Après un certain temps, la pièce de monnaie se trouve au sec et nous pouvons la prendre sans nous mouiller les doigts !

Explication :

L'explication proposée par certains manuels est la suivante : La bougie a besoin d'oxygène pour brûler. Cet oxygène se trouve dans l'air. Quand tout

l'oxygène, présent dans le verre, est consommé, la combustion s'arrête, la bougie s'éteint.

Pendant la combustion, la quantité d'oxygène diminue donc, mais un autre gaz, le CO 2 (dioxyde de carbone) est dégagé suivant la réaction : C + O2 à CO2 (le carbone - C -

provient de la stéarine de la bougie). Ce gaz (CO2) se dissout très bien dans l'eau, il n'occupe

donc pas la place laissée par l'oxygène. Cette augmentation du volume libre provoque une diminution de la pression dans le verre.quotesdbs_dbs27.pdfusesText_33

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